jeudi 16 février 2017

Cartographie du Cerveau et Reproduction Technologique des Caractéristiques du Cerveau Humain



De nouvelles techniques, de nouveaux outils diagnostiques et thérapeutiques, montrant la richesse
 avec laquelle se comportent des circuits neuronaux chez des patients humains, sont nécessaires

Câblage des neurones et Atlas anatomique du cerveau de souris


La compréhension du fonctionnement du cerveau au sein de l'organisme des mammifères progresse sur des plans apparemment éloignés mais qui finiront par se rejoindre. Deux articles de l’Allen Institute for Brain Science (Seattle), publiés dans la revue Nature en avril 2014, montrent qu'il existe des complémentarités intéressantes entre l'approche par la souris et celle par l'humain. Ils illustrent l'intérêt désormais admis par tous des études multidisciplinaires sur le cerveau.


Le câblage des neurones

Le cerveau humain est parmi les structures les plus complexes dans l'univers entier, contenant environ 100 milliards de neurones – autant d'étoiles que sont dans la Voie Lactée. Les neurones du cerveau de la souris, disposés en une structure à peu près similaire au cerveau humain, fournissent un système de modèle puissant permettant de comprendre comment les cellules nerveuses du cerveau humain se connectent et codent l'information.


En utilisant les données, les scientifiques ont été en mesure de démontrer qu'il existe des modèles très spécifiques dans les liens entre les différentes régions du cerveau, et que les forces de ces connexions varient avec plus de cinq ordres de grandeur, l'équilibrage d'un petit nombre de connexions solides avec un grand nombre de connexions faibles.

Les scientifiques ont décidé de créer un schéma de câblage du cerveau – également connu comme un "connectome" – pour illustrer les connexions à court et à long terme utilisant des virus génétiquement modifiés qui pourraient retrouver et éclairer des neurones individuels. Afin d'obtenir une vue vraiment complète, les scientifiques ont recueilli des données d'imagerie à des résolutions inférieures à un micromètre de plus de 1.700 cerveaux de souris, dont chacun a été divisé en 140 sections en série.

La normalisation du processus de génération de données a permis de créer un espace commun de référence 3D, ce qui signifie que les données de l'ensemble de milliers d'expériences pourront être mises à côté de l'autre et comparées toutes d'une manière hautement quantitative en même temps.


L’Atlas du cerveau de souris (Allen Mouse Brain Connectivity Atlas)

Le cerveau de la souris n'a pas la taille d'un ongle de femme. Néanmoins il comporte 75 millions de neurones – à comparer avec les 100 milliards de neurones du cerveau humain –. De plus, l'architecture d'ensemble des deux cerveaux est très voisine. Le seul schéma complet de câblage jusqu'ici réalisé intéressait le ver C. elegans lequel ne dispose que de 300 neurones.

L’Atlas fournit une feuille de route initiale du cerveau. Cette information fournira un cadre pour comprendre les modèles de trafic de circulation de l'information dans le cerveau au cours de diverses activités telles que la prise de décision, la cartographie de l'environnement physique, l'apprentissage et la mémoire, et d'autres processus cognitifs ou émotionnels.

En analysant les données, les scientifiques ont pu découvrir plusieurs propriétés intéressantes du connectome du cerveau de la souris, c'est-à-dire les relations neuronales entre les différentes aires cervicales de ce petit animal. Par exemple, il y a de nombreuses connexions à travers les deux hémisphères avec une symétrie spéculaire. Des routes appartenant à différents circuits fonctionnels dans le cerveau peuvent être identifiées et leurs relations et leurs intersections visualisées en 3D. Enfin, il y a un grand degré de variation dans les forces de toutes les connexions allant au delà de cinq ordres de grandeur et d'un équilibre entre un petit nombre de liens solides et un grand nombre de connexions faibles.

Ces découvertes illustrent la nécessité d'une compréhension quantitative et une vue globale des modèles de connectivité du cerveau, car une approche quantitative peut décrire la force relative des différentes connexions à la place des descriptions de présence ou d'absence simples qui sont inhérentes à une approche plus qualitative. Ces comparaisons plus précises sont activées uniquement par l'Atlas.

Le but de l'Atlas est de créer une nouvelle façon de cartographier de vastes connexions du cerveau systématiquement et rapidement, et de développer une plate-forme pour présenter les données pour les utilisateurs et les aider à naviguer.

Actualiser l'Atlas suppose un travail important. L'accent sera mis dorénavant sur les connections entre neurones au sein d'un même région ou entre régions voisines, les moins bien connues à ce jour compte tenu des limites de la technique de visualisation initialement utilisée.

L'Atlas promet d'être un outil précieux pour les neuroscientifiques du monde entier longtemps dans l'avenir. Auparavant, la communauté scientifique a dû se appuyer sur des ensembles de données fragmentées incomplètes, comme de petits morceaux d'une carte, mais à différentes échelles et résolutions, de sorte qu'il était impossible de voir l'image plus grande. Maintenant, ils auront un accès instantané à des données complètes et cohérentes dans l'ensemble du cerveau, et la suite des analytiques et d'affichage des outils basés sur le Web, où il est facile de trouver ce dont ils ont besoin et de les voir en 3D.

Les chercheurs avaient précédemment réalisé un Atlas intéressant le développement du cerveau humain à partir du stade fœtal. Les premières données devraient fournir des indications intéressantes concernant par exemple l'apparition de l'autisme ou, de façon bien plus ambitieuse, les raisons pouvant expliquer le caractère spécifique de cerveau humain, comparé à celui d'autres espèces.

Les observations s'appuient sur l'étude des gènes présents dans les neurones du fœtus et s'exprimant lors de son développement. Elles devraient permettre de distinguer les développements sains de ceux susceptibles de conduire à des handicaps. Il ne s'agit plus d'établir un connectome, comme dans le cas précédent, mais un transcriptome. Les données proviennent d'analyses d'échantillons de tissus prénataux prélevés chez des fœtus. Leur nombre est par définition limité, d'où l'impérieuse nécessité de les mettre en commun.

En dehors de données intéressant l'apparition possible d'autismes ou de schizophrénies, l'Atlas permettra d'identifier les régions du génome montrant des différences importantes entre les humains et d'autres espèces. Les analyses du trascriptome montrent ainsi que les gènes sont particulièrement riches dans le cortex frontal ainsi que dans des cellules spécifiques dites GABAergic produisant l'y-aminobutyrique, en abrégé GABA. Celui-ci est le principal neurotransmetteur inhibiteur du système nerveux central chez les mammifères et les oiseaux, intervenant dans la formation précoce des circuits. Leur répartition n'est pas la même chez l'humain ou dans les autres espèces.


Introduction d’un minuscule implant cérébral

Des scientifiques de l’Université de Harvard, dans une étude publiée dans Nature en juin 2014, ont réussi à implanter des micro-câbles dans le cerveau de souris.

Ils peuvent être injectés directement dans le cerveau à partir d'une seringue, minimisant les dommages aux tissus cérébraux et peuvent être appliqués sans chirurgie invasive.

L'implant maillé se déploie dans
le cerveau après l'injection
Ils ont pu injecter le maillage dans le cerveau de souris anesthésiées à travers d’un minuscule trou dans le crâne et enregistrer l'activité cérébrale avec des électrodes et des capteurs sur le maillage.

La maille flexible imite la structure d'interconnexion du réseau neuronal et la douceur du tissu cérébral, et est faite de matériaux que le système immunitaire est moins susceptible de rejeter, il semble créer moins de cicatrices dans le cerveau quand elle a été insérée.

L'implant à mailles incroyablement petites a des lignes métalliques très fines de circuits intégrés, avec des électrodes et des capteurs montés aux intersections des fils. En rabattant l'implant souple, les chercheurs ont réussi à installer un carré de 1,5 centimètre de largeur dans une seringue avec une ouverture de moins d'un demi-millimètre de large.

Une fois injectée dans le cerveau, la maille se déploie à environ 80% de sa forme originale sans perte de fonction. Les fils externes du maillage peuvent alors être branchés sur un ordinateur pour surveiller et stimuler les neurones individuels.

Ce maillage pourrait un jour être utilisé chez l'homme pour traiter une maladie neurologique ou des lésions cérébrales causées par des accidents vasculaires cérébraux. Le développement d'implants à long terme qui ne sont pas rejetés par le système immunitaire pourrait ouvrir la voie à l'utilisation de la technologie pour l'amélioration.


BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies)

Le Brain Activity Map Project  est un projet de recherche public-privé annoncé par l'administration Obama en avril 2013 ayant pour objectif de cartographier le cerveau et d'accélérer le développement et les applications de technologies innovatrices pour améliorer la compréhension du cerveau humain.

L’initiative BRAIN permettra de visualiser directement les activités du cerveau impliquées dans des fonctions vitales comme la vision, l’audition et la mémoire, une étape cruciale pour la compréhension des maladies cérébrales et la mise au point de traitements contre ces maladies ou toutes autres lésions du système nerveux.

Elle aidera les scientifiques à mieux comprendre comment nous pensons, apprenons et nous souvenons à un niveau neuronal. Elle permettra également de mieux comprendre comment traiter des maladies allant de l'autisme à la schizophrénie.

Objectifs


* Comprendre comment l'activité cérébrale conduit à la perception, la prise de décision  et finalement l'action.

* Développer de nouvelles technologies d'imagerie et comprendre comment l'information est stockée et traitée dans les réseaux neuronaux.

* Fournir les connaissances nécessaires pour traiter les maladies et les conditions débilitantes.

* Produire une compréhension sophistiquée du cerveau, des gènes individuels aux circuits neuronaux au comportement.

Le cerveau humain est composé de 100 milliards de neurones qui interagissent entre eux à travers 100.000 milliards de connections. Il semble aujourd’hui possible pour la science de réaliser une cartographie de la dynamique de l'activité des neurones chez les souris et d'autres animaux et éventuellement, du cerveau humain et ses dizaines de milliards de neurones.

Actuellement, quand le cerveau doit être corrigé – quand quelqu'un a la dépression, la maladie d'Alzheimer, le syndrome de stress post-traumatique, la dépendance –, nous ne pouvons pas simplement trouver le fil manquant. Non seulement nous ne pouvons pas trouver le fil manquant, mais aussi dans la plupart des cas, nous ne savons même pas où commencer à chercher. Afin de comprendre ce qui ne va pas dans ces troubles, nous devrons comprendre comment le tir de neurones spécifiques faisant des connexions spécifiques conduit à un comportement spécifique.

Les scientifiques seront en mesure d'enregistrer toute l'activité électrique de chaque neurone du poisson zèbre et cartographier comment chaque neurone se connecte à tous les autres neurones dans l'ensemble du cerveau, en définissant essentiellement le schéma de câblage, également connu sous le nom de connecteur.

Une meilleure compréhension de notre cerveau a le potentiel de façonner la société dans une multitude de façons en dehors de la science et la médecine. Il y a déjà des exemples de la manière dont la neurobiologie a eu des effets. La cartographie des circuits cérébraux qui sous-tendent la dépendance a conduit à la compréhension que la toxicomanie a une base biologique et non pas une faiblesse morale. Cela a ouvert de nouvelles recherches sur les traitements pharmaceutiques pour la toxicomanie et a diminué la stigmatisation contre les toxicomanes.

L'initiative BRAIN donnera une compréhension biologique beaucoup plus profonde de la façon dont l'activité électrique et les connexions dans le cerveau sous-tendent nos pensées et nos actions.

L'objectif explicite à court terme de la première phase est de favoriser un ensemble de projets d'équipe interdisciplinaire en vue de la deuxième phase qui débutera au cours de l'exercice 2017 pour comprendre comment les circuits créent et contribuent aux capacités cognitives et comportementales.

Les projets actuellement financés sont de nature exploratoire, dans le but d'intégrer des technologies de pointe pour l'interrogation de circuits à la résolution cellulaire et sous-seconde, et de les fusionner avec des méthodes analytiques sophistiquées pour développer de nouvelles théories de contributions de circuits spécifiques aux comportements chez les organismes modèles, Les rongeurs, les primates non humains, le poisson zèbre et les mouches des fruits.

En outre, des études humaines utilisant des technologies d'enregistrement et de modulation invasives avec une précision spatio-temporale relativement élevée sont en cours d'élaboration avec les FOA (Funding Opportunity Announcements) en 2016 et 2017 pour les possibilités de recherche utilisant des techniques d'enregistrement et de stimulation neuronales invasives dans le cerveau humain.


Human Brain Project (HBP)

Ce projet phare des neurosciences – lancé en octobre 2013 et financé par la Commission européenne – qui veut coordonner les travaux de plus de cent instituts à travaux le monde et compiler leurs résultats, a pour objectif de modéliser le cortex humain, de créer, au moyen d’un super-calculateur, un cerveau artificiel biologiquement précis, de comprendre comment naît l’intelligence humaine. Les meilleurs spécialistes européens en sciences cognitives, neurosciences, biologie moléculaire, médecine, physique, mathématique, informatique et éthique vont travailler de concert.

Deux ans et demi après son lancement, le projet européen de simulation du cerveau a dévoilé en mars 2016 ses premières plateformes à destination de la communauté scientifique.

Les plateformes comprennent des équipements informatiques, des logiciels et des bases de données. Elles constituent le cœur de la nouvelle infrastructure pour la recherche sur le cerveau fournie par le HBP.

Parmi ces outils figurent une plateforme de neuro-informatique, pour la recherche et l’analyse de données en neurosciences, ainsi qu’une plateforme d’informatique à haute performance destinée à traiter les gigantesques quantités d’informations générées par le projet. La plateforme de simulation fournit des logiciels pour la reconstruction des circuits nerveux.

Les autres plateformes concernent la gestion de données réelles de patients pour l’étude des maladies du cerveau, la mise au point de circuits informatiques dits neuro-morphiques qui imitent le fonctionnement des neurones et enfin la mise à l’épreuve de modèles virtuels du cerveau par leur connexion avec des robots.


Projet Connectome Humain

Le projet Connectome Humain est la cartographie des connexions entre les voies neurales qui sous-tendent la fonction et le comportement du cerveau.

L'objectif du projet est de construire une “carte réseau” qui permettra de mettre en lumière la connectivité anatomique et fonctionnelle dans le cerveau humain sain, ainsi que de produire un ensemble de données qui faciliteront la recherche sur les troubles cérébraux tels que la dyslexie.

“Connectome” se réfère au complexe réseau interconnecté de neurones dans le cerveau.

Tracer le connecteur humain chez les enfants et les adultes en bonne santé aidera les chercheurs à découvrir le rôle que les circuits du cerveau jouent pendant le développement et le vieillissement ainsi que d'informer notre compréhension de nombreux troubles cérébraux, le déclin cognitif et les maladies mentales.

Depuis 2010 Les scientifiques ont découvert de nombreux liens entre les augmentations, les diminutions et les perturbations de la connectivité du cerveau à un large éventail de maladies et de troubles mentaux.

Une étude récente menée par des chercheurs du projet, publiée dans la revue Science, a révélé que les neurones du cerveau ne sont pas l'enchevêtrement aléatoire que certains avaient pensé, mais sont disposés dans une grille rangée qui ressemble à une carte de rues de ville.


Une nouvelle cartographie du cerveau

Des scientifiques de l’université de Washington (Saint-Louis, Missouri), on publié dans la revue Nature en juillet 2016, une carte du cerveau comportant 180 aires pour chacun des 2 hémisphères. Jusqu’ici, les neurologues n’en avaient identifié que 83, pour la plupart issues des travaux de l’Allemand Korbinian Brodmann (1909).

La nouvelle carte du cerveau
humain comporte 180 régions
sur les moitiés gauche et droite
Les chercheurs ont passé en revue par l’imagerie par résonance magnétique (IRM), les cerveaux de 210 jeunes adultes participant à l’Human Connectome Project.

 Différentes formes d’IRM fonctionnelles leur ont permis d’identifier les aires activées lors d’une tâche cognitive, de tracer la carte de la myéline enrobant les axones afin d’identifier la structure des différentes aires, et enfin d’identifier les connections entre différentes aires par l’étude d’un cerveau au repos.

Chaque région du cerveau est identifiée et colorée par son appartenance aux différents systèmes, auditif, visuel, somato-sensoriel. Plus la couleur est intense, plus ces zones sont impliquées dans une tâche de cognition. Toutes les données de ces observations ont été transférées dans un système d’intelligence artificielle, un réseau de neurones artificiels, capable de reconnaître les points communs entre tous les cerveaux étudiés par IRM. Le système a ainsi découvert 97 nouvelles aires du cortex cérébral. Des études plus spécifiques devront confirmer les résultats de ces calculs statistiques.

Le rouge et le jaune
indiquent les régions d'activation
Après avoir dessiné la carte sur un ensemble de cerveaux, les chercheurs ont développé un algorithme pour reconnaître les régions dans un nouvel ensemble du cerveau où la taille et les limites varient d'une personne à l'autre.

Les chercheurs ont utilisé un scanner IRM pour observer l'activité cérébrale tandis que les participants écoutaient des histoires.

Ils ont fait un programme d'apprentissage automatique pour recréer une nouvelle carte pour n'importe quel cerveau, ce qui aidera les scientifiques et les médecins à étudier les différences individuelles dans la structure du cerveau et la maladie et à de nouvelles façons de diagnostiquer les troubles cérébraux.


Un des objectifs majeurs de cette carte est d'aider à unifier les neurosciences en fournissant un cadre pour que les études d'imagerie cérébrale soient plus facilement comparables et reproductibles, un point particulièrement important étant donné les récentes controverses remettant en question la validité de milliers d'études d'imagerie cérébrale.

Cette carte pourrait aider les scientifiques et les médecins à créer de meilleures façons de diagnostiquer les troubles cérébraux.


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